基于FMECA的水下多相流量計可靠性分析

孫 欽，尹 豐，潘艷芝2,3，洪 毅

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028； 2.海默科技(集團)股份有限公司，蘭州 730010；3.西安交通大學(xué) 動力工程多相流國家重點實驗室，西安 710049)①

水下多相流量計是一種重要的水下油氣開發(fā)工程裝備，通過多相流量計可實時測量單井油、氣、水的產(chǎn)量，協(xié)助完成生產(chǎn)優(yōu)化、流動保障等工作，對水下油氣田開發(fā)及生產(chǎn)管理的全自動化具有重要意義[1-3]。水下設(shè)施位于海底，回收和維修成本高，需要裝置具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。為提高國內(nèi)自主研制的水下多相流量計的可靠性，需要通過嚴(yán)格的設(shè)計認(rèn)證與分析。水下多相流量計研制，需遵循各類針對水下工程裝備的設(shè)計規(guī)范，包括API 17D、API 17N、API17F、API 6A、API 17S、API RP 85等規(guī)范[4-9]，以及挪威船級社 (DNV GL) 出版的針對水下裝備的設(shè)計及認(rèn)證規(guī)范[10-11]。

為進一步保證水下多相流量計研制過程的科學(xué)性和設(shè)備可靠性，通過FMECA分析方法來識別水下多相流量計的關(guān)鍵性元件及潛在風(fēng)險，并采取相應(yīng)措施，最大程度地降低風(fēng)險。

FMECA(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis)[12-13]——故障模式、影響及危害性分析，作為一種評估系統(tǒng)可靠性的分析方法，已被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)、改進及可靠性研究[14-15]。FMEA 方法最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)50 年代，應(yīng)用于航空器主操控系統(tǒng)的失效分析；到20 世紀(jì)60 年代，加入關(guān)鍵性分析(CA)，形成FMECA 方法；20 世紀(jì)70 年代，該系統(tǒng)的可靠性工程技術(shù)開始應(yīng)用在汽車的零件設(shè)計中。目前，F(xiàn)MECA 技術(shù)已廣泛應(yīng)用在石油化工、海上石油天然氣開采設(shè)施上，用于識別關(guān)鍵的失效模式和影響、優(yōu)化設(shè)計、操作和維護。

1 水下多相流量計FMECA基礎(chǔ)

水下多相流量計是一種用于水下井口油氣水計量的多相流量計，基于成熟的伽馬射線及文丘里技術(shù)，可適應(yīng)惡劣的水下應(yīng)用環(huán)境，實現(xiàn)在線實時計量，滿足信號的連續(xù)采集，并達到小體積、高強度、抗腐蝕、長壽命的要求。

水下多相流量計應(yīng)用文丘里進行總流量計量，應(yīng)用伽馬射線技術(shù)進行相分率(含水率、含氣率)計量，并結(jié)合經(jīng)過長期驗證及優(yōu)化的動態(tài)計量模型，最終得到油、氣、水單相工況流量；再結(jié)合PVT模型，獲得標(biāo)況下油、氣、水單相流量。水下多相流量計結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 水下多相流量計結(jié)構(gòu)示意

本文FMECA 分析的水下多相流量計，主要包含流量計本體和電子倉部分。根據(jù)IEC 60812 標(biāo)準(zhǔn)[12]以及DNV GL水下系統(tǒng)完整性推薦做法，分析水下多相流量計中每個子單元/元件的失效模式和影響。通過FMECA 分析，達到如下目的：

1) 識別關(guān)鍵元件及失效模式。

2) 評價現(xiàn)有的重要控制措施。

3) 提出設(shè)計改進和風(fēng)險降低措施，提高設(shè)備的可靠性。

2 分析方法

FMECA 是一種結(jié)構(gòu)化的分析方法，目的是為了識別和分析系統(tǒng)/設(shè)備的所有重要的失效模式及其影響，通過確定失效發(fā)生的可能性和后果的分類，所有的失效模式和相應(yīng)的系統(tǒng)和設(shè)備部件進行風(fēng)險排序，確定關(guān)鍵設(shè)備并加以關(guān)注。

2.1 分析流程

本文的FMECA 分析采用DNV GL RP 0002[16]中推薦的風(fēng)險矩陣，并對失效后果的定義進行了適當(dāng)?shù)母倪M。FMECA分析流程參考了IEC 60812標(biāo)準(zhǔn)中的分析方法，分析流程如圖2。

圖2 FMECA分析流程

分析流程主要包含以下步驟：

1) 設(shè)備層級(設(shè)備/子單元/元件)劃分。

第一，福建小學(xué)學(xué)校的數(shù)量和施教人數(shù)逐年增加。“二十九年改制之初，設(shè)中心學(xué)校875校、國民學(xué)校3700校、私立小學(xué)586校、共4161校① 原文計算有誤，應(yīng)為5161校。，施教人數(shù)小學(xué)部514490人。三十年中心學(xué)校增為1164校、國民學(xué)校增為3782校、私立小學(xué)516校、共5462校、施教人數(shù)小學(xué)部648551人。三十一年中心學(xué)校增為1349校、國民學(xué)校增為4041校、私立小學(xué)468校、共5732校②原文計算有誤，應(yīng)為5858校。、施教人數(shù)小學(xué)部634562人。”［27］13三年間，小學(xué)學(xué)校的數(shù)量增長了1571所，施教人數(shù)僅小學(xué)部就增長了120072人。

2) 識別每個元件的功能和失效模式。

3) 選擇一個失效模式，識別典型的失效機理或原因。

4) 評估失效的安全、環(huán)境和經(jīng)濟后果。

5) 評估失效模式的初始風(fēng)險是否滿足可接受準(zhǔn)則。

6) 對于初始風(fēng)險為中/高風(fēng)險類的失效模式，識別現(xiàn)有的控制措施。

7) 評估現(xiàn)有控制措施對風(fēng)險的降低程度，確定最終關(guān)鍵性(考慮了現(xiàn)有控制措施)是否滿足可接受準(zhǔn)則。

8) 對于最終關(guān)鍵性為中/高風(fēng)險(緩解風(fēng)險)的失效模式，提出額外的設(shè)計改進，風(fēng)險控制和緩解措施。

9) 重復(fù)以上步驟，直至所有設(shè)備/子單元/元件分析完畢。

2.2 設(shè)備層級劃分

設(shè)備層級的劃分依據(jù)ISO 14224《設(shè)備可靠性和維護數(shù)據(jù)收集和交換準(zhǔn)則》[17]，將設(shè)備劃分為不同的子單元及每個子單元包含的元件。失效模式和影響分析將在元件的層級進行。

2.3 失效模式定義

設(shè)備/元件的功能是指在指定的工作環(huán)境和條件下，所期望實現(xiàn)的作用及其性能標(biāo)準(zhǔn)。功能一般分為主要功能和次要功能。功能失效是指故障使得設(shè)備不能達到用戶所能接受的、能滿足績效標(biāo)準(zhǔn)的功能。除了功能的完全失效外，還包括部分失效，即設(shè)備仍可以運行，但是性能指標(biāo)不能維持可接受的質(zhì)量或精確度要求。只有當(dāng)設(shè)備的功能和性能標(biāo)準(zhǔn)被定義清楚之后，才能清楚地識別功能性的失效模式。

失效模式是指故障的狀態(tài)或形式，對于大多數(shù)典型的設(shè)備類型，ISO 14224 標(biāo)準(zhǔn)給出了推薦的失效模式列表。在進行FMECA 分析時，還應(yīng)考慮可能的“失效模式”。包括：

1) 同樣運行環(huán)境下在同樣或類似設(shè)備上已經(jīng)發(fā)生的事件。

2) 在現(xiàn)有的維護體制下，正在被預(yù)防的故障事件。

3) 還沒有發(fā)生、但是被懷疑極大可能發(fā)生的故障事件。

2.4 現(xiàn)有措施識別

針對初始關(guān)鍵性為中/高類的失效模式，將要識別現(xiàn)有的控制措施，包括可探測性、冗余設(shè)備、其它自動控制系統(tǒng)等。一般情況下，現(xiàn)有的控制措施均為積極主動的措施，其將只降低后果發(fā)生的可能性，而不改變后果的嚴(yán)重程度。

2.5 FMECA分析結(jié)果

FMECA分析將水下多相流量計共劃分為5 個子單元，49 個元件，分析了75 個失效模式。通過風(fēng)險和關(guān)鍵性評估，識別了重要的元件設(shè)備和失效模式。按照流量計的單元劃分和識別出的所有需要進行FMECA 分析的元件，參考ISO 14224 標(biāo)準(zhǔn)，OREDA 和EMCRH 數(shù)據(jù)庫，選擇適用的設(shè)備類型和失效模式。

在不考慮現(xiàn)有的控制措施的情況下，非常低(VL )風(fēng)險元件8%，低(L )風(fēng)險元件6%，中(M)風(fēng)險元件29%，高(H)風(fēng)險元件39%，非常高(VH )風(fēng)險元件18%。在考慮現(xiàn)有控制措施對風(fēng)險降低的影響下，VL 風(fēng)險元件10%，L 風(fēng)險元件39%，M風(fēng)險元件51%。元件關(guān)鍵性分布如圖3。

圖3 元件關(guān)鍵性分布

在不考慮現(xiàn)有的控制措施的情況下，75 個失效模式中，VL 風(fēng)險失效模式8%，L 風(fēng)險失效模式5%，M風(fēng)險失效模式39%，H 風(fēng)險失效模式36%，VH 風(fēng)險失效模式12%。在考慮現(xiàn)有控制措施對風(fēng)險降低的影響下，VL 風(fēng)險失效模式11%，L 風(fēng)險失效模式44%，M 風(fēng)險失效模式45%。失效模式的關(guān)鍵性分布如圖4。

圖4 失效模式分布

3 結(jié)論

1) 通過對水下多相流量計進行FMECA分析，確定電接頭、電子倉密封、溫壓傳感器和差壓傳感器是對系統(tǒng)比較關(guān)鍵性的單元設(shè)備。

2) 從分析結(jié)果來看，設(shè)計中考慮的控制措施有效地降低了風(fēng)險。在對水下流量計的基礎(chǔ)設(shè)計、關(guān)鍵單元設(shè)備設(shè)計及選購方面應(yīng)重點關(guān)注。

3) 加強關(guān)鍵設(shè)備單元的可靠性試驗研究，減少使用過程中發(fā)生故障的概率，提高水下多相流量計的可靠性。